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扫描仪原理完全剖析

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扫描仪原理完全剖析

帖子  caohongyu 于 周二 七月 06, 2010 5:04 pm

扫描仪是一种被广泛应用于计算机的输入设备。作为光电、机械一体化的高科技产品,自问世以来以其独特的数字化“图像”采集能力,低廉的价格以及优良的性能,得到了迅速的发展和广泛的普及。下面为大家介绍一下扫描仪的工作原理,相信这会对我们更好的使用扫描仪有一定的帮助。

一、 扫描仪的组成结构

  虽然从外型上看,扫描仪的整体感觉十分简洁、紧凑,但其内部结构却相当复杂:不仅有复杂的电子线路控制,而且还包含精密的光学成像器件,以及设计精巧的机械传动装置。它们的巧妙结合构成了扫描仪独特的工作方式。图1、图2所示为典型的平板式扫描仪的内部与外部结构。


图1


图2




  从图中可以看出,扫描仪主要由上盖、原稿台、光学成像部分、光电转换部分、机械传动部分组成。

   1.上盖

   上盖主要是将要扫描的原稿压紧,以防止扫描灯光线泄露。目前随着三维实物扫描功能的逐渐普及,为了能够更加方便、更高质量地扫描三维实物,许多扫描仪在上盖的设计上都“绞尽脑汁”,例如Canon的“Z”型盖板式设计就相当独特。

   2.原稿台

   原稿台主要是用来放置扫描原稿的地方,其四周设有标尺线以方便原稿放置,并能及时确定原稿扫描尺寸。中间为透明玻璃,称为稿台玻璃。在扫描时需注意确保稿台玻璃清洁,否则会直接影响扫描图像的质量。另外,要特别注意在放置扫描原稿时不要损坏稿台玻璃,要“轻拿轻放”。稿台玻璃的损坏会影响扫描仪内部的其他器件(如成像部件),尤其是稿台玻璃的破损会使灰尘及杂质直接侵入扫描仪内部,使扫描品质下降,严重时会造成扫描仪的损坏。因此,如果有此类情况发生,应及时与维修服务中心联系,切不可自行处理。

  3.光学成像部分

   光学成像部分俗称扫描头(如图3所示),即图像信息读取部分,它是扫描仪的核心部件,其精度直接影响扫描图像的还原逼真程度。它包括以下主要部件:灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)。
  


图3


  扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管,灯管两端没有灯丝,只有一根电极,具有发光均匀稳定、结构强度高、使用寿命长、耗电量小、体积小等优点。

  扫描头还包括几个反光镜,其作用是将原稿的信息反射到镜头上,由镜头将扫描信息传送到CCD感光器件,最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。

  镜头是把扫描信息传送到CCD处理的最后一关,它的好坏决定着扫描仪的精度。扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率,主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制,目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素,应用在A4幅面的扫描仪上,可实现2400dpi的扫描精度,这样的精度能够满足多数领域的需求。

  光学部分是扫描仪的“眼睛”,用来获取原稿反射的光信息。为保证图像反射的光线足够强,由一根冷阴极灯管提供所需的光源。扫描仪对灯管也有比较严格的要求,首先是色纯要好,如果色纯不够,不是完全的白色,再加上色彩调校系统没能起到应有的效果,那么扫描出来的稿件就可能偏向某种色彩。反过来说,一款扫描仪的所有扫描结果都有比较一致的偏色现象,可能和灯管的色纯有关系。当然造成偏色的因素很多,这只是在硬件方面的原因之一。除了色纯要好,还需要强度均匀。如果强度不均匀,就会大大影响扫描的精度。第三个问题是能耗与色温,不管用什么原理,灯管肯定是扫描仪里面的主要能耗之一。要在节能上下功夫,就要涉及到灯管方面的节能。当然最有效的节能方法之一就是在不使用扫描仪的时候让灯管不工作。

  灯管刚开始工作的时候其温度比较低,运行一段以后温度会开始升高,那么这前后扫描效果就有差距。很多扫描仪的说明书都说扫描仪在工作10~30分钟以后才能够达到比较理想的效果,这主要是指CCD的效果,当然灯管也会有一定影响。那么矛盾就在这里产生了,要节能的话势必要在暂时不使用扫描仪的时候关闭灯管,但是重新启用扫描仪的时候,灯管却不能马上进入最佳状态;要让灯管一直保持良好状态,势必要它持续工作,但是这又对节能和灯管寿命不利。所以,从实用的角度来说,灯管的寿命和能耗问题一直是用户比较关心的问题。扫描仪运行之前需要预热,就是处理这种问题的一种手段。

  4.光电转换部分

  光电转换部分是指扫描仪内部的主板,如图4所示。别看扫描仪的光电转换部分主板就这么一小块,但它却是扫描仪的心脏。它是一块安置有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统,在扫描仪扫描过程中,它主要完成CCD信号的输入处理,以及对步进电机的控制,将读取的图像以任意的解析度进行处理或变换所需的解析度。


图4

光电转换部分主板以一块集成芯片为主,其作用是控制各部件协调一致地动作,如步进电机的移动等。其中有A/D变换器、BIOS芯片、I/O控制芯片和高速缓存(Cache)。BIOS芯片的主要功能是在扫描仪启动时进行自检, I/O控制芯片提供了连接界面和连接通道,高速缓存则是用来暂存图像数据的。如果把图像数据直接传输到计算机里,那么就会发生数据丢失和影像失真等现象,如果先把图像数据暂存在高速缓存里,然后再传输到计算机,就减少了上述情况发生的可能性。现在普通扫描仪的高速缓存为512KB,高档扫描仪的高速缓存可达2MB。

  5.机械传动装置

   机械传动部分主要包括步进电机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组如图5。


图5

   (1)步进电机:它是机械传动部分的核心,是驱动扫描装置的动力源。步进电机其实就是用脉冲信号精确控制移动的一种电机,扫描仪的噪音和速度在一定程度上就是由它决定的。这里速度和精度与前面提到的节能和色温问题一样,存在着矛盾。速度越快移动单位距离所需的时间就短,精度就会降低;精度提高,其结果是消耗时间增加,就会造成速度减慢。

   在扫描仪扫描图像的过程中,扫描头要依靠步进电机来拖动。传统的步进电机是依靠齿轮传动来实现运动的。当齿轮传动时,既使是两个紧密啮合的齿轮,在它们的各齿之间都会留有一些空隙,这是不可避免的,在往复运动的时候,就会给精度带来影响,轻则会使扫描的精度下降,严重时会使图像出现一些条纹。所以,微步进电机技术就在这种情况下应运而生的。它采用缩小电机拖动的运动步幅,可以达到传统步进电机步幅的三分之一或者四分之一,甚至更低,能精确控制扫描头的平稳运动,避免了往复运动中齿轮间的空隙所带来的缺陷,减少了不稳定移动所带来的锯齿波纹和色彩失真,使扫描速度加快,噪音减小,图像质量明显提高。

   (2)驱动皮带:扫描过程中,步进电机通过直接驱动皮带实现驱动扫描头,对图像进行扫描。

   (3)滑动导轨:扫描装置经驱动皮带的驱动,通过在滑动导轨上的滑动实现线性扫描的过程。

   (4)齿轮组:是保证机械设备正常工作的中间衔接设备。

  二、 扫描仪的工作原理

  了解了扫描仪的构成之后,下面来谈谈扫描仪的工作原理。一般来讲,扫描仪扫描图像的方式大至有三种,即:以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描、以接触式图像传感器CIS(或LIDE) 为光电转换元件的的扫描和以光电倍增管 (PMT)为光电转换元件的扫描。

  1.以光电耦合器(CCD)为光电转换元件的扫描仪工作原理

  多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件,它在图像扫描设备中最具代表性。其形状像小型化的复印机,在上盖板的下面是放置原稿的稿台玻璃。扫描时,将扫描原稿朝下放置到稿台玻璃上,然后将上盖盖好,接收到计算机的扫描指令后,即对图像原稿进行扫描,实施对图像信息的输入。

   与数字相机类似,在图像扫描仪中,也使用CCD作图像传感器。但不同的是,数字相机使用的是二维平面传感器,成像时将光图像转换成电信号,而图像扫描仪的CCD是一种线性CCD,即一维图像传感器。

   扫描仪对图像画面进行扫描时,线性CCD将扫描图像分割成线状,每条线的宽度大约为10 μm。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上,产生反射光(反射稿所产生的)或透射光(透射稿所产生的),然后经反光镜组反射到线性CCD中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电流,经A/D转换处理,将电信号转换成数字信号,即产生一行图像数据。同时,机械传动机构在控制电路的控制下,步进电机旋转带动驱动皮带,从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动,将待扫图像原稿一条线一条线的扫入,最终完成全部原稿图像的扫描。如图6所示。


图6

   通常,用线性CCD对原稿进行的“一条线”扫描被称为“主扫描”,而将线性CCD平行移动的扫描输入称为“副扫描”。

   (1)线性CCD的结构

   图7所示为线性CCD。CCD图像传感器是平板式扫描仪的核心,其主要作用就是将照射到其上的光图像转换成电信号。将CCD图像传感器放大,可以发现在10μm的间隔上并行排列着数千个CCD图像单元,这些图像单元规则地排成一线,当光线照射到图像传感器的感光面上时,每个CCD图像单元都接受照射其上的光线,并根据感应到的光线强弱,产生相应的电荷。然后,若干电荷以并行的顺序进行传输。


图7

   (2)光学成像系统

   一般扫描仪使用的光学成像系统有两种:缩小扫描型光学成像系统和等倍扫描型光学成像系统。

   缩小型光学系统成像采用2-5cm长度的线性CCD作为光学系统中的图像传感器,由于CCD的尺寸远不及扫描原稿的宽度,因此,这种成像系统中,在CCD的前面有一个镜头,像数字相机一样,用于在扫描时将原稿图像通过镜头缩小后投射到线性CCD上。

   等倍扫描型光学成像系统则采用与扫描原稿宽度相等的线性CCD作为图像传感器。这种光学成像系统中采用了一种特殊的镜头——特殊镜头组系列,它由上下排列整齐的两排棒状镜头组成。这种棒状镜头的直径为1mm,长约6mm,每一列都有100个以上这样的镜头阵列构成,这种成像系统在手持式扫描仪中较为常见。

  (3) 色分离技术

   目前,彩色扫描仪已成为市场的主流,它能够很真实地还原原稿图像的品质。通过彩色扫描仪扫描得到的数字图像,可以看到不论是形状还是色彩,扫描得到的图像都很好地保持了原稿的品质。

   真实色彩的还原主要应归功于扫描仪独特的色分离技术。由于CCD只是将所感应的光的强弱转换成相应大小的电流,它不可能对所扫描图像的颜色进行识别。因此,扫描仪需要将这些颜色进行分离。我们都知道,红、绿、蓝是光的三基色,即用这3种颜色叠加可以组合出其他任意颜色。就是根据这个特点,扫描仪在扫描图像时,先生成分别对应于红(R)、绿(G)、蓝(B)的三基色的3幅图像,也就是说每幅图像中只包含相应的单色信息,红基色图像中只包含红色的信息、绿基色图像中只包含绿色信息,蓝基色图像中自然只包含蓝色信息。最后,将这3幅图像合成即得到了彩色的图像。其原理如图8所示。


图8

   目前,应用于扫描仪的色分离技术常见的有4种:滤光片色分离技术、光源交替色分离技术、三CCD色分离技术和单CCD色分离扫描技术。

   1)滤光片色分离技术

   其基本原理是:在线性CCD图像传感器的前面加装一滤光片,滤光片从上向下分为3等份,第1部分为红色滤光片,第2部分为绿色滤光片,第3部分为蓝色滤光片,扫描时通过滤光片的移动使得CCD传感器分别记录相应基色下的图像信息,从而得到三基色的3幅图像信息。

   2)光源交替色分离技术

   与滤光片色分离技术的原理类似,这种技术是在镜头与扫描原稿之间加设3根发光灯管,其颜色分别为红(R)、绿(G)和蓝(B),扫描图像时,3根不同颜色的灯管交替发光,从而使CCD得到3幅三基色图像信息。

   3)三CCD色分离技术

   与前两种色分离技术不同,三CCD色分离技术中使用了3个CCD完成扫描成像:光线通过镜头,经过一个特殊设计的分光棱镜将相应颜色的光线反射到相应的CCD图像传感器中,每一个CCD产生一种颜色的图像数据,经过一次扫描即可得到彩色的图像。因此,可以看出这种分色技术成像速度最快,但其造价最高。

   4)单CCD色分离技术

  单CCD色分离技术仍然是采用单个线性CCD,不过,在CCD的感光面上加入了滤色镜,在感光的同时直接进行分色。

  (4)VAROS技术

   普通的CCD扫描仪在扫描时,须在被扫描物体表面形成一条细长的白色光带,光线通过一系列镜面和一组透镜,最后由CCD元件接收光学信号。但是,在这种条件下,光学分辨率被CCD像素数量所限制。在VAROS技术中,CCD元件与透镜之间放置一片平板玻璃,首先,扫描仪进行正常的扫描工作。这一步得到的图像与其他扫描仪基本相同。然后,平板玻璃倾斜,使扫描图像移动1/2个像素,扫描过程重复一次。这样可以使扫描仪读取被移动后的像素的数据。最后,运用软件合成第一次与第二次的扫描数据,得到两倍数量的图像信息。换言之,运用VAROS技术,我们可以将普通600dpi的扫描仪变成1200dpi高分辨率的扫描仪。

  2.接触式图像传感器CIS(或LIDE)

  接触式图像传感器CIS(或LIDE)是近些年才出现的名词,其实这种技术与CCD技术几乎是同时诞生的。绝大多数手持式扫描仪采用CIS技术。CIS感光器件一般使用制造光敏电阻的硫化镉作感光材料,硫化镉光敏电阻本身漏电大,各感光单元之间干扰大,严重影响清晰度,这是该类产品扫描精度不高的主要原因。它不能使用冷阴极灯管而只能使用LED发光二极管阵列作为光源,这种光源无论在光色还是在光线的均匀度上都比较差,导致扫描仪的色彩还原能力较低。LED阵列由数百个发光二极管组成,一旦有一个损坏就意味着整个阵列报废,因此这种类型产品的寿命比较短。无法使用镜头成像,只能依靠贴近目标来识别,没有景深,不能扫描实物,只适用于扫描文稿。CIS对周围环境温度的变化比较敏感,环境温度的变化对扫描结果有明显的影响,因此对工作环境的温度有一定的要求。

  LIDE(LED In Direct Exposure)二极管直接曝光技术是佳能公司独创的技术,是一种基于CIS技术的革新技术,它使用三色二极管作为光源。与使用冷阴极灯源的扫描仪相比,二极管具有体积小巧且持久长效等特点,不过它所产生的光线比较弱,很难保证扫描影像所需的亮度。针对这一原因,LIDE技术对二极管装置及引导光线的光导材料进行了改造,使二极管光源可以产生均匀并且亮度足够的光线用于扫描。

  LIDE型扫描仪由3部分组成,即光导、柱状透镜和线性光学传感器。光导的主要作用是增强红、绿、兰三个色彩通道的光照强度,柱状透镜则可以确保反射光更好地向传感器聚焦(这是提高扫描精度的关键措施),线性传感器则最大程度地避免了边缘变形问题。由于省略了一系列反射镜,LIDE型扫描仪就能避免因此带来的各种像差和色差,可以较好地重现原稿的细节和色彩。

  LIDE通过接触式图像传感器CIS从近距离接触以1:1的比例对原稿进行扫描,不需要复杂的光学系统,这就使扫描仪的尺寸可以做的较小,同时也使扫描仪变得非常轻巧。此外,由于二极管光源及扫描头移动所需要的功耗极小,这类产品能够通过PC机的USB端口提供所需的电力。

  3.CCD与CIS的区别

  通常人们提起扫描仪,会比较注重它的扫描分辨率,而对它所采用的感光元件未必会在意。究竟是选择CCD型扫描仪,还是选择CIS型扫描仪,不少用户都会感到迷惑,哪种扫描仪更适合呢?

  简单说这两种扫描仪的区别就在于感光器件上,CCD型扫描仪使用的是电子耦合器件,而CIS型扫描仪使用的是接触式影像感光器件。这两种感光器件的工作原理大相径庭: CCD元件本身是整个扫描仪成像的核心,但光源发出的光必须经过镜片的反射和透镜的聚焦,这些光学器件的加入使整个扫描仪成本提高;而 CIS扫描仪是利用微小光源发出的光经扫描原稿反射后由感光器件直接接收而成像,CIS感光元件本身足以完成成像任务,不需要镜片和透镜的参与,因此产品的组装非常容易,成本较低。由于CIS扫描仪依靠直接接收反射光成像,技术含量相对较低,在扫描景深等方面表现较差。除了感光部分的差别外,两种扫描仪其它部分的工作原理基本一致,都是将光信号转变成数字信息。

  对比两种扫描仪产品,CCD型扫描仪占有明显的优势,但CIS型扫描仪也并非一无是处。

   CCD型扫描仪的缺点是:需要一整套光学系统,包括照明冷光源和多个反光镜和光学镜头,通过复杂的光路在CCD传感器件表面成像。它的组成部件较为复杂,成本相对较高,扫描后对图像数据的处理也相对复杂。一般使用冷阴极管做光源,需要预热1分钟左右才能稳定发光。CCD扫描仪需要通过一系列透镜、反射镜成像,所以会产生色彩偏差和光学像差,一般需要通过扫描软件进行色彩校正。

  CIS型扫描仪的优点是:具有模块化设计,扫描光源、传感器、放大器集成为一体,结构、原理和光路都极为简单。由传感器直接从稿件表面获取图像,理论上不会产生色偏和像差,能获得最接近原稿的图像效果。能够降低设计制造成本,而且产品的体积可以设计得更薄、更小,CIS型扫描仪没有明显的等待时间。

  CIS型扫描仪的缺点是:不能使用镜头,只能压近原稿扫描,扫描精度较低。另外,它的光源只能用LED发光二极管,这种光源无论在光色以及均匀度上都比较差,色域较CCD窄,获得的色彩不如CCD的丰富,而且光源的寿命比较短。

  此外,传统的CCD扫描仪因为采用光学镜头成像于CCD表面,所以它具有一定的景深,对隆起的书脊,甚至实物都可以得到清晰的扫描效果。CIS扫描头利用传感器从扫描物体表面得到图像,景深较短,扫描的层次有些不足,对扫描摆放不平的文稿和图片显得有些力不从心,待扫描物体必须平整地放在扫描仪上。CCD的景深至少是CIS的10倍,这意味着CCD扫描仪在一定范围内对3D物体的扫描是清楚而生动的,而CIS扫描仪扫描略微凹凸不平的物体时,输出的图像常会出现模糊和散焦的情况。

  高质量的CCD感光元件能保证在质量不变的情况下使用10000小时,而目前的CIS扫描仪的发光元件在使用500小时后,其亮度平均降低30%,也就是说CIS扫描仪的发光元件寿命较短。虽然CIS发光元件寿命较短,但CIS扫描头价格便宜,更换很方便。

  4. 光电倍增管(Photo Multiplier Tube) 工作原理

  与采用线性CCD为图像传感器的平板式扫描仪不同,光电倍增管(PMT)为滚筒式扫描仪采用的光电转换元件。

  在各种感光器件中,光电倍增管是性能最好的一种,无论在灵敏度、噪声系数还是动态范围上都遥遥领先于其他感光器件,而且它的输出信号在相当大范围内保持着高度的线性输出,使输出信号几乎不用做任何修正就可以获得准确的色彩还原。

  光电倍增管实际是一种电子管,其感光材料主要是由金属铯的氧化物及其他一些活性金属(一般是镧系金属)的氧化物共同构成。这些感光材料在光线的照射下能够发射电子,经栅极加速后冲击阳电极,最后形成电流,再经过扫描仪的控制芯片进行转换,就生成了物体的图像。在所有的扫描技术中,光电倍增管是性能最为优秀的一种,其灵敏度、噪声系数、动态密度范围等关键性指标远远超过了CCD及CIS等感光器件。同样,这种感光材料几乎不受温度的影响,可以在任何环境中工作。但是这种扫描仪的成本极高,一般只用在最专业的滚筒式扫描仪上。

   采用光电倍增管的滚筒式扫描仪较采用CCD的平板式扫描仪复杂许多,图9、图10所示为其结构图,它的主要组成部件有旋转电机、透明滚筒、机械传动机构、控制电路和成像装置等。


图9


图10




   滚筒式扫描仪扫描图像时,将要扫描的原稿贴附在透明滚筒上,滚筒在步进电机的驱动下,高速旋转形成高速旋转柱面,同时,高强度的点光源光线从透明滚筒内部照射出来,投射到原稿上逐点对原稿进行扫描,并将透射和反射光线经由透镜、反射镜、半透明反射镜、红绿蓝滤色片所构成的光路将光线引导到光电倍增管进行放大,然后进行模/数转换进而获得每个扫描像素点的红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色的分色颜色值。这时,光信息被转换为数字信息传送,并存储在计算机上,完成扫描任务。它的扫描特点是一个像素一个像素地输入光信号,信号采集精度很高,且扫描图像的信息还原性很好。

  三、扫描仪的工作过程

  扫描仪的工作原理并不复杂,从它的工作过程就能够基本反映出来,图11为以CCD型扫描仪为例的工作原理示意图。其扫描的一般工作过程是:


图11



   1)开始扫描时,机内光源发出均匀光线照亮玻璃面板上的原稿,产生表示图像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光经过玻璃板和一组镜头,分成红绿蓝3种颜色汇聚在CCD感光元件上,被CCD接受。其中空白的地方比有色彩的地方能反射更多的光。

   2)步进电机驱动扫描头在原稿下面移动,读取原稿信息。扫描仪的光源为长条形,照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙,形成沿x方向的光带,经过一组反光镜,由光学透镜聚焦并进入分光镜。经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上,CCD将RGB光带转变为模拟电子信号,此信号又被A/D转换器转变为数字电子信号。

   3)反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号,最后通过 USB等接口送至计算机。扫描仪每扫描一行就得到原稿x方向一行的图像信息,随着沿y方向的移动,直至原稿全部被扫描。经由扫描仪得到的图像数据被暂存在缓冲器中,然后按照先后顺序把图像数据传输到计算机并存储起来。当扫描头完成对原稿的相对运动,将图稿全部扫描一遍,一幅完整的图像就输入到计算机中去了。

   4)数字信息被送入计算机的相关处理程序,在此数据以图像应用程序能使用的格式存在。最后通过软件处理再现到计算机屏幕上。

   所以说,扫描仪的简单工作原理就是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号,再将电信号通过模拟/数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪,它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以,光电转换是它们的核心工作原理。扫描仪的性能取决于它把任意变化的模拟电平转换成数值的能力。

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